Как рассчитать пусковой ток двигателя

Как рассчитать пусковой ток двигателя

Ток, который нужен для запуска электродвигателя, называется пусковым. Как правило, пусковые токи электродвигателей в несколько раз большие, чем токи, необходимые для работы в нормально-устойчивом режиме.

Рисунок 1. Асинхронный электродвигатель Большой пусковой ток асинхронного электродвигателя необходим для того, чтобы раскрутить ротор с места, для чего требуется приложить гораздо больше энергии, чем для дальнейшего поддержания постоянного числа его оборотов. Стоит отметить, что, несмотря на совсем другой принцип действия, однофазные двигатели постоянного тока также характеризуются большими значениями пусковых токов.

Высокие пусковые токи электродвигателей — нежелательное явление, поскольку они могут приводить к кратковременной нехватке энергии для другого подключенного к сети оборудования (падению напряжения). Поэтому при подключении и наладке двигателей переменного тока (наиболее распространенных в промышленности) всегда стоит задача минимизировать значения пусковых токов, а также повысить плавность пуска двигателя за счет применения специального дополнительного оборудования. Такие мероприятия также позволяют снизить уровень затрат на пуск электродвигателя (применять провода меньшего сечения, стабилизаторы и дизельные электростанции меньшей мощности, проч.).

Одной из наиболее эффективных категорий устройств, облегчающих тяжелые условия пуска, являются софтстартеры и частотные преобразователи. Особенно ценным считается их свойство поддерживать пусковой ток двигателей переменного тока в течение продолжительного периода — более минуты. Также пусковой ток асинхронного электродвигателя можно уменьшить за счет внедрения внешнего сопротивления в обмотку ротора.

Расчет пускового тока асинхронного электродвигателя

Рисунок 2. Асинхронный электродвигатель с частотным преобразователем Расчет пускового тока электродвигателя может потребоваться для того, чтобы подобрать подходящие автоматические выключатели, способные защитить линию включения данного электродвигателя, а также для того, чтобы подобрать подходящее по параметрам дополнительное оборудование (генераторы, проч.).

Расчет пускового тока электродвигателя осуществляется в несколько этапов:

Определение номинального тока трехфазного электродвигателя переменного тока согласно формуле: Iн=1000Pн/(Uн*cosφ*√ηн). Рн здесь — номинальная мощность двигателя, Uн выступает номинальным напряжением, а ηн — номинальным коэффициентом полезного действия. Cosφ — это номинальный коэффициент мощности электромотора. Все эти данные можно найти в технической документации по двигателю.

Расчет величины пускового тока по формуле Iпуск=Iн*Кпуск. Здесь Iн — номинальная величина тока, а Кпуск выступает кратностью постоянного тока к номинальному значению, которая также должна указываться в технической документации к электродвигателю.

Точно зная пусковые токи электродвигателей, можно правильно подобрать автоматические выключатели, которые будут защищать линию включения.

Базовые понятия

Для начала рассмотрим несколько базовых понятий, чтобы лучше понимать, что такое пусковой ток автомобильного стартера, и не путать эту величину с другими характеристиками.

Автомобильный стартер является ничем иным, как электродвигателем постоянного тока. Это означает, что он выполняет свою работу (крутит коленвал двигателя), потребляя электрическую энергию, накопленную в аккумуляторной батарее. Эта энергия характеризуется несколькими величинами – напряжением, силой тока и мощностью.

Напряжение, при котором работает нагруженный стартер легкового автомобиля, находится в диапазоне примерно 11-13 В. Что значит нагруженный? Если стартер снять с двигателя и подключить к источнику тока без какой-либо нагрузки, то он будет работать и при гораздо меньшем напряжении. Однако будучи установленным на автомобиле, при напряжении менее 11 В он, как правило, не работает. Это хорошо знакомо тем автолюбителям, у которых была изношенная или полностью разряженная АКБ.

Сила тока, который потребляется нагруженным стартером легкового автомобиля, варьируется в диапазоне 100-500 А. Здесь, как и в случае с напряжением, большую роль играет нагрузка. Если стартер подключить к источнику питания отдельно от двигателя, то тока он потреблять будет гораздо меньше. Из этого следует, что чем большая нагрузка на стартер, тем больше тока он будет потреблять.

Мощностью стартера называется величина, которая зависит от напряжения, при котором он работает, и силы тока, который им потребляется в конкретный момент времени. Так, например, если стартер вашего автомобиля при напряжении 12 В потребляет ток силой 150 А, то его мощность в данный момент составляет 12 × 150 = 1800 Вт.

Из этого всего можно вывести следующее, важное для автомобилистов, понятие. Что происходит, когда АКБ изношена или слабо заряжена? А происходит то, что при работе стартера напряжение на ней просаживается, например, до 10,5 В. Это означает, что, если стартер потребляет все те же 150 А, то его мощность при таких условиях уже не 1,8 кВт, а всего лишь 1,5 кВт. Соответственно, он крутит коленвал вяло, либо ему вообще не хватает мощности, чтобы сдвинуть его с места.

Кроме того, чем большая просадка напряжения происходит на клеммах АКБ, тем меньший пусковой ток она способна выдавать. Отсюда следует, что на наш стартер идет уже не 150 А, а вдвое-втрое меньше. Это приводит к резкому уменьшению мощности, которой оказывается недостаточно, чтобы провернуть коленчатый вал двигателя.

Для некоторых автолюбителей будет интересной еще одна характеристика стартера. Она показывает количество энергии, которое он израсходовал, пока запускал двигатель. Измерить ее можно в А*ч (ампер-часах), а как мы помним, именно в этих единицах указывается емкость АКБ. Это означает, что по пусковому току и времени работы стартера мы можем узнать, на сколько сильно он разрядил нашу батарею.

Рассмотрим все тот же стартер. Допустим, во время всей своей работы он, потребляя ток силой 150 А, запустил двигатель с первой попытки, вращая его в течение 5 секунд. Теперь секунды надо перевести в часы, так как нас интересуют именно ампер-часы. 5 секунд – это примерно 0,0014 часов. Соответственно, наш стартер «взял» из батареи 150 × 0,0014 А*ч, то есть примерно 0,21 А*ч. И это при емкости в 50-60 А*ч.

Но здесь следует понимать, что мы рассмотрели упрощенные условия. Так, при больших токах потребления АКБ садится немного больше, чем это можно рассчитать на бумаге. Кроме того, не всегда двигатель запускается с первого раза, и так далее. Из всего этого важно усвоить следующее. Если стартер не смог прокрутиться из-за ослабленной АКБ, то ему, скорее всего, хвалило не А*ч, как думают многие. Ему не хватило пускового тока, так как разряженная или испорченная батарея не в состоянии выдавать такие большие токи.

Особенности расчета

Определение значения пускового тока электродвигателя проводится в два этапа. Сначала необходимо рассчитать номинальный электроток, для этого используется следующая формула:

Затем можно переходить к определению показателя тока пуска, используя формулу:

Зная это значение, можно легко подобрать выключатели-автоматы, обеспечивая тем самым надежную защиту линии включения. В паспорте электродвигателей указано значение силы тока при номинальной нагрузке на валу силового агрегата. Например, если на моторе присутствует надпись 13,8/8 А, то при его включении в сеть на 220 В и номинальной нагрузке, сила тока будет составлять13,8 А. Когда он подсоединен к сети 380 В, то ток составит 8 А.

Если известна номинальная мощность силового агрегата, можно легко выяснить и его номинальный ток. Для этого предстоит воспользоваться формулой:

Иногда коэффициент мощности мотора может оказаться неизвестным. В такой ситуации стоит воспользоваться простым соотношением – 2 А/1 кВт.

Например, если показатель номинальной мощности мотора составляет 15 кВт, то он будет потреблять около 30 А. Погрешность при таком расчете минимальна.

Пусковой ток электродвигателя

При запуске любого типа электродвигателя возникает пусковой ток от 2 до 8 кратного значению номинального тока в рабочем режиме электродвигателя. Величина пускового тока зависит от типа двигателя, скорости вращения, схемы подключения, наличие нагрузки на валу и от других параметров.

Пусковой ток возникает, потому что в момент запуска наводится очень сильное магнитное поле в обмотках необходимое, что бы сдвинуть с места и раскрутить ротор. При включении мотора сопротивление обмоток мало, а следовательно по закону Ома, ток вырастает при неизменном напряжении в участке цепи. По мере того как двигатель раскручивается, возникает в обмотках ЭДС или индуктивное сопротивление и ток начинает уменьшаться до номинального значения.

Эти всплески реактивной энергии негативно сказываются на работе других электропотребителей, подключенных к этой же линии электропитания, что служит причиной возникновения особенно губительных для электроники скачков или перепадов напряжения.

Снизить вдвое пусковой ток можно при использовании специально разработанного для этих целей тиристорного блока, а лучше при помощи устройства плавного запуска (УПЗ). УПЗ с меньшим пусковым током и быстрее в полтора раза запускает мотор по сравнению с тиристорным запуском. Устройства плавного запуска подходят как к синхронным, так и к асинхронным двигателям. УПЗ выпускаются предприятиями Украины и России.

Для запуска трехфазного асинхронного двигателя сегодня нередко используются и преобразователя частоты. Широкое их распространение пока сдерживает только цена. Благодаря изменению величин частоты тока и напряжения удается не только сделать плавный запуск, но и регулировать скорость вращения ротора. По другому как только изменением частоты электрического тока, регулировать скорость вращения асинхронного двигателя нет возможности. Но следует знать, что частотный преобразователь создает помехи в электросети, поэтому для подключения электроники и бытовой техники используйте сетевой фильтр.

Использование устройства плавного запуска и частотного преобразователя позволяет не только сохранить стабильность электропитания у Вас и Ваших соседей, подключенных к одной линии электроснабжения, но и продлить срок службы электродвигателей.

• Ремонт электродвигателя своими руками
• Устройство электродвигателя и принцип .
• Подбор электродвигателя по параметрам
• Как проверить электродвигатель

Формула расчета для вентиляторов

Вентиляторы широко применяются в самых разных областях. Устройства общего назначения работают на чистом воздухе, при температуре ниже 80 . Воздух с более высокой температурой перемещается с помощью специальных термостойких вентиляторов. Если приходится работать в агрессивной или взрывоопасной среде, в этих случаях используются модели антикоррозийных и взрывобезопасных устройств.

В соответствии с принципом действия, вентиляторные установки могут быть центробежными или радиальными и осевыми. В зависимости от конструкции, они развивают давление от 1000 до 15000 Па. Поэтому мощность, потребная для привода вентилятора, рассчитывается в соответствии с давлением, которое необходимо создать.

С этой целью используется формула: Nв=Hв·Qв/1000·кпд, в которой Nв – мощность, потребная для привода (кВт), Hв – давление, создаваемое вентилятором (Па), Qв – перемещаемый объем воздуха (м 3 /с), кпд – коэффициент полезного действия.

Для расчета мощности электродвигателя используется формула:, где значения параметров будут следующие:

• Q – производительность агрегата;
• Н – давление на выходе;
• ηв – коэффициент полезного действия вентилятора;
• ηп – коэффициент полезного действия передачи;
• к_з – коэффициент запаса, зависящий от мощности электродвигателя. При мощности до 1 кВт к_з = 2; от 1 до 2 кВт к_з = 1,5; при 5 кВт и выше к_з = 1,1-1,2.

Данная формула позволяет рассчитывать мощность электродвигателей под центробежные и осевые вентиляторы. Для центробежных конструкций КПД составляет 0,4-0,7, а для осевых – 0,5-0,85. Другие расчетные характеристики имеются в специальных каталогах для всех типов электродвигателей.

Запас мощности не должен быть слишком большим. Если он будет слишком большой, КПД привода заметно снизится. Кроме того, в двигателях переменного тока может снизиться коэффициент мощности.

Мощность электродвигателя

В режиме постоянной или незначительно изменяющейся нагрузки работает большое количество механизмов: вентиляторы, компрессоры, насосы, другая техника. При выборе электродвигателя необходимо ориентироваться на потребляемую оборудованием мощность.

Определить мощность можно расчетным путем, используя формулы и коэффициенты, приведенные ниже.

Мощность на валу электродвигателя определяется по следующей формуле:

где:
Рм – потребляемая механизмом мощность;
ηп – КПД передачи.

Номинальную мощность электродвигателя желательно выбирать больше расчетного значения.

Формула расчета мощности электродвигателя для насоса

где:
K3 – коэффициента запаса, он равен 1,1-1,3;
g –ускорение свободного падения;
Q – производительность насоса;
H – высота подъема (расчетная);
Y – плотность перекачиваемой насосом жидкости;
ηнас – КПД насоса;
ηп – КПД передачи.

Давление насоса рассчитывается по формуле:

Формула расчета мощности электродвигателя для компрессора

Мощность поршневого компрессора легко рассчитать по следующей формуле:

где:
Q – производительность компрессора;
ηk – индикаторный КПД поршневого компрессора (0,6-0,8);
ηп – КПД передачи (0,9-0,95);
K3 – коэффициент запаса (1,05 -1,15).

Значение A можно рассчитать по формуле:

или взять из таблицы

Формула расчета мощности электродвигателя для вентиляторов

где:
K3 – коэффициент запаса. Его значения зависят от мощности двигателя:

• до 1 кВт – коэффициент 2;
• от 1 до 2 кВт – коэффициент 1,5;
• 5 и более кВт – коэффициент 1,1-1,2.

Q – производительность вентилятора;
H – давление на выходе;
ηв – КПД вентилятора;
ηп – КПД передачи.

Приведенная формула используется для расчета мощности осевых и центробежных вентиляторов. КПД центробежных моделей равен 0,4-0,7, а осевых вентиляторов – 0,5-0,85.

Остальные технические характеристики, необходимые для расчета мощности двигателя, можно найти в каталогах для каждого типа механизмов.

ВАЖНО! При выборе электродвигателя запас мощности должен быть, но небольшой. При значительном запасе мощности снижается КПД привода. В электродвигателях переменного тока это приводит еще и к снижению коэффициента мощности.

Какой стартерный ток лучше, и каким он должен быть в цифрах?

Немаловажный вопрос для автолюбителей — выбор АКБ по условиям стартерного тока. Здесь все просто.

К примеру, для прокрутки стартера на вашем авто необходимо 200 Ампер. В таком случае АКБ нужно брать с запасом — его пусковой ток должен быть от 300 Ампер и более.

Если не следовать данному совету, то батарея быстро выйдет из строя. При этом не забывайте, что пусковой ток подразумевает непродолжительное прокручивание стартера (в течение 30-40 секунд).

Если «насиловать» аккумулятор дольше, то высок риск его перегрева.

Также при выборе аккумулятора важно учитывать и тип автомобиля (грузовой или легковой, дизельный или бензиновый).

Рассмотрим несколько примеров:

1. Пусковой ток для дизельных моторов.

Имеет ключевое значение, ведь на прокручивание силового узла и его запуск уходит больше энергии.

Нельзя забывать, что на дизелях установлены предпусковые подогреватели. Как следствие, величина тока при запуске мотора должна быть от 320 Ампер и выше.

Аналогичное требование можно выдвинуть и в отношении грузовых автомобилей.

В качестве примера выделим несколько АКБ:

• Viking Gold 190Ah L+ 1200A — хороший аккумулятор с емкостью в 190 А/ч и пусковым током в 1,2 кА. Такой источник питания подойдет все всех типов автомобилей (в том числе и грузовиков);
• MUTLU SEALED SILVER CALCIUM — источник питания, отличающийся уникальной работоспособностью и большим пусковым током (720 А/ч).

2. Для бензиновых моторов.

Подойдут батареи с меньшей емкостью (от 36 А/ч) и пусковым током (от 100 Ампер). К примеру, можно выделить следующие варианты:

• TOP CAR EXPERT — аккумулятор с емкостью в 60 Ампер/часов и пусковым током в 480 Ампер;
• аккумулятор VOLT — батарея с аналогичной емкостью и пусковым током.

Энергоэффективность

Рациональное потребление энергии при сохраняющейся высокой мощности сокращает текущие производственные затраты при одновременном увеличении производительности электродвигателя. Поэтому при выборе привода обязательно учитывается класс энергоэффективности.

В технической документации и каталогах обязательно указывается класс энергоэффективности двигателя. Он зависит от показателя КПД.

Проводимые в тестовом и рабочем режимах экспериментальные исследования показывают, что электродвигатель мощностью 55 кВт высокого класса энергоэффективности сокращает потребление электроэнергии на 8-10 тысяч кВт ежегодно.

Источник: Компания «Техпривод»